Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Влияние технологических погрешностей элементов на характеристики интегральных микросхем 10
1.1. Источники технологических погрешностей элементов 10
1.1.1. Особенности современной элементной базы микросхем 10
1.1.2. Групповые отклонения параметров 15
1.1.3. Взаимное рассогласование 18
1.2. Расчет отклонений характеристик интегральных микросхем 21
1.2.1. Метод статистических испытаний 22
1.2.2. Аналитический метод статистического расчета 24
ГЛАВА 2. Точность характеристик субмикронных источников опорного напряжения 29
2.1. Оценка точности выходного напряжения «классической» архитектуры источника опорного напряжения с отражателями тока 29
2.2. Точность выходного напряжения «модифицированной» архитектуры ИОН 40
2.3. Оценка точности «классической» архитектуры ИОН с повторителем напряжения 47
2.4. Влияние рассогласования элементов на точность отражателей тока и операционного усилителя 52
2.5. Особенности низковольтных источников опорного напряжения 60
2.6. Сопоставительный анализ субмикронных источников опорного напряжения 64
ГЛАВА 3. Прецизионный бикмоп стабилизатор напряжения 67
3.1. Классификация и основные свойства современных стабилизаторов напряжения 67
3.2. Основные принципы работы стабилизаторов с низким падением напряжения на регулирующем элементе 68
3.3. Оценка точности выходного напряжения стабилизатора напряжения с низким проходным напряжением 72
ГЛАВА 4. Характеристики бикмоп стабилизаторов напряжения в технологическом базисе 180 НМ 76
4.1. Схемотехника линейных стабилизаторов напряжения 76
4.1.1. Источники опорного напряжения 77
4.1.2. Усилитель ошибки 84
4.1.3. Схема ограничения выходного тока 86
4.1.4. Схема температурной защиты 88
4.2. Анализ шумовых параметров и устойчивости линейных стабилизаторов напряжения 90
4.3. Основные характеристики спроектированных стабилизаторов напряжения 93
Заключение 100
Список литературы 102
- Особенности современной элементной базы микросхем
- Точность выходного напряжения «модифицированной» архитектуры ИОН
- Оценка точности выходного напряжения стабилизатора напряжения с низким проходным напряжением
- Схема температурной защиты
Введение к работе
Актуальность темы. Линейные интегральные стабилизаторы
напряжения являются неотъемлемой частью современной
радиоэлектронной аппаратуры, качество которой в значительной степени определяется точностью и стабильностью выходного напряжения стабилизатора.
В настоящее время проблема обеспечения экономичного
электропитания требует создания малогабаритных стабилизаторов
напряжения с минимальными потерями. Эти устройства должны отвечать специфическим требованиям, которые не могут быть обеспечены при использовании традиционных биполярных микросхем стабилизаторов, а именно - иметь чрезвычайно низкий ток потребления, низкое остаточное напряжение (вход-выход), высокую точность выходного напряжения. При реализации современных линейных стабилизаторов напряжения на передний план выходит БиКМОП технология, которая позволяет снизить ток потребления этих устройств в сотни раз.
Линейный стабилизатор напряжения, исполненный по БиКМОП
технологии, обладает рядом достоинств: низкая стоимость, большой
коэффициент полезного действия, высокая стабильность выходного
напряжения, незначительный уровень шумов. Область применения
БиКМОП стабилизаторов напряжения крайне широка – это мобильные
средства связи, переносные компьютеры, устройства питания
микроконтроллеров, автономные видеокамеры слежения и многое другое.
Основным узлом линейного стабилизатора является источник
опорного напряжения, который, по сути, давно уже рассматривается как
базовый электронный блок, главной задачей которого является
обеспечение на своем выходе прецизионного постоянного напряжения независимо от воздействия внешних факторов. Характеристики этого блока в первую очередь определяют качественные показатели самых различных радиоэлектронных устройств. Если учесть неуклонную тенденцию к росту разрядности представления цифровых данных, несложно представить важность решения проблем, связанных с повышением точности и воспроизводимости характеристик опорных источников. Кроме того, важно отметить, что в связи с неуклонным сокращением технологических норм и необходимостью снижения потребляемой мощности, современная электронная аппаратура имеет, как правило, низкие напряжения питания, что существенно ограничивает
возможности известных схемотехнических приемов в процессе
проектирования.
Таким образом, задача разработки прецизионных линейных стабилизаторов и источников опорного напряжения с возможностью прогноза их точности и серийноспособности на ранних этапах проектирования и, в том числе, пригодных для работы при низких питающих напряжениях представляется достаточно актуальной.
Цель работы: схемотехническое проектирование прецизионных
источников опорного напряжения и линейных стабилизаторов с низким
проходным напряжением в технологии БиКМОП 0,18 мкм и оценка
точности их характеристик с учетом технологических особенностей субмикронного исполнения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
обосновать подходы к оценке точности прецизионных интегральных схем, изготовляемых средствами современных субмикронных технологий, использующие методы теории чувствительности;
определить абсолютные и полуотносительные чувствительности выходного напряжения основных типов опорных источников к величинам номиналов элементов и переменных, связанных с ними;
получить замкнутые аналитические выражения для среднеквадратического отклонения выходного напряжения этих источников и указать возможные направления повышения точности опорного напряжения;
обосновать структуру стабилизатора с низким проходным напряжением и минимальной чувствительностью к номиналам его элементов;
спроектировать ряд прецизионных линейных стабилизаторов напряжения по субмикронной технологии 0,18 мкм.
Научная новизна диссертации определяется полученными
оригинальными результатами и состоит в следующем:
1. Обоснован подход к расчету точности субмикронных
прецизионных источников и стабилизаторов напряжения, основанный на
методах теории чувствительности, позволяющий получить аналитические
выражения для стандартных отклонений их характеристик и
обеспечивающий возможность оценки серийноспособности.
-
Получены выражения для абсолютных и полуотносительных чувствительностей выходного напряжения типичных структур опорных источников к их элементам и параметрам, обосновывающие утверждение о том, что наибольшее влияние на точность источников опорного напряжения оказывают напряжение смещения операционного усилителя и рассогласование элементов отражателей тока.
-
Оценка точности источника опорного напряжения для основных его разновидностей показала, что «классическая» архитектура с дополнительными двумя биполярными транзисторами имеет минимальное среди известных структур среднеквадратическое отклонение опорного напряжения.
-
Определены зависимости статистических характеристик выходного напряжения линейного стабилизатора от технологических погрешностей производства, позволяющие сформулировать требования по степени точности к функциональным блокам стабилизатора, входящим в его состав.
Научная и практическая значимость. Проблемы построения
прецизионных источников и стабилизаторов напряжения всегда будут в
числе важнейших в проектировании аналоговых устройств, поскольку
качество эталонного напряжения во многом определяет достоверность
преобразования и передачи информации. В практике их проектирования
основным вопросом, как правило, является вопрос температурной
стабильности, в то время как точность задания уровня выходного
напряжения менее исследована. Привлечение методов теории
чувствительности открывает новые возможности в оценке качества
опорных источников. Предложенные методы и проведенная работа дают
возможность оценки не только точности, но и серийноспособности на
ранних этапах проектирования. В отличие от широко известных
компьютерных методов статистических испытаний предлагаемый
аналитический подход позволяет получить не только количественную оценку, но и указывает пути повышения этих важнейших показателей качества.
Сочетание аналитического подхода с известным и многократно экспериментально подтвержденным приемом разделения технологических погрешностей на групповые и межэлементные дало возможность получить замкнутые и вполне обозримые аналитические выражения для наиболее важных качественных показателей.
Полученные в процессе исследования научные результаты и
практические рекомендации были использованы при разработке и
совершенствовании функциональных характеристик стабилизаторов
напряжения, исполненных по технологии 0,18 мкм. При этом один из разработанных стабилизаторов напряжения обладает возможностью выбора трех уровней выходного напряжения 1,2 В, 1,8 В, 2,5 В, при емкости нагрузки 1 мкФ, имеет запас по фазе не менее 30 и уровень выходного шума 55 мкВ.
Результаты диссертации были использованы в НИОКР, что подтверждается актом внедрения № 0082/04-14т от 18.04.2014 г.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Применение аналитического подхода к оценке точности источников и стабилизаторов напряжения позволяет указать возможные направления снижения величины среднеквадратического отклонения их выходных уровней.
-
«Классическая» архитектура с парой дополнительных биполярных транзисторов обладает наименьшей чувствительностью к номиналам элементов среди прочих известных конфигураций.
-
Рассогласование элементов является решающим фактором, определяющим погрешность уровня опорного напряжения. При этом наибольшее влияние на точность оказывают напряжение смещения операционного усилителя и токи стока МОП-транзисторов отражателей тока.
-
Полученные значения среднеквадратического отклонения выходного напряжения линейного стабилизатора позволяют сформулировать требования по точности к компонентам стабилизатора.
-
Спроектированы линейные стабилизаторы напряжения с уровнем собственного шума 55 мкВ в диапазоне частот от 0,1 Гц до 1 МГц и запасом устойчивости не менее 30, в составе которых используются спроектированные прецизионные схемы источников опорного напряжения, имеющие низкий технологический разброс выходного напряжения, и также высокую стабильность выходного уровня по напряжению питания и температуре.
Апробация результатов работы. Полученные результаты
докладывались на следующих конференциях и семинарах:
- международная научно-техническая конференция “Радиолокация, навигация, связь” (Воронеж, 2013, 2014);
- научно-методический семинар «Флуктуационные и деградацион-
ные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2013);
- X международный научно-практический семинар «Проблемы
современной аналоговой схемотехники» (Шахты, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано двенадцать научных работ, в том числе пять в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателем выполнены: [1-5, 10-12] - анализ и интерпретация полученных результатов, решение поставленной задачи, подготовка научной публикации для печати; [4-9] - проектирование аналоговых функциональных блоков, предназначенных для исполнения средствами субмикронной БиКМОП технологии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 73 наименований. Основная часть работы изложена на 109 страницах, содержит 24 таблицы и 42 рисунка.
Особенности современной элементной базы микросхем
Процесс производства интегральной микросхемы (ИМС) заключается в формировании в приповерхностном слое полупроводниковой пластины ее элементов, таких как транзисторы, диоды, резисторы и т.д. с последующим их объединением в функциональную схему проводниками. В общем случае элементная база ИМС определяет последовательность слоев в составе микросхемы по нормали к поверхности кристалла, различающихся материалом, толщиной и электрофизическими свойствами. Заданная структура ИМС позволяет установить состав и последовательность технологических методов обработки пластины и определить технологические режимы для каждого из них.
Таким образом, современную субмикронную интегральную технологию можно представить как совокупность методов обработки, позволяющую при наличии технологической совместимости различных компонентов ИМС формировать их одновременно в едином технологическом процессе.
Важно отметить что, выпускаемые в составе той или иной серии ИМС различного функционального назначения имеют единую структуру и, следовательно, единую базовую технологию. Для базовой технологии характерны не только определенная технологическая последовательность обработки и определенный комплект оборудования, но и постоянная, отработанная настройка оборудования, т. е. жесткие технологические режимы. Последнее соображение является чрезвычайно существенным для эффективности процесса производства ИМС. В связи с переходом полупроводниковой технологии в субмикронную область, значительное влияние на выход годных кристаллов оказывает технологический разброс параметров компонентов электрической схемы, приводящий к так называемому параметрическому браку. Моделирование с учетом статистического разброса параметров элементов позволяет спроектировать ИМС с максимальным процентом выхода годных кристаллов
[13-Основными понятиями, описывающими статистическое поведение для всех элементов ИМС (МОП транзисторов, биполярных транзисторов, резисторов, конденсаторов и др.), являются математическое ожидание х = М(х) какого-либо параметра х, его среднеквадратическое отклонение а(х) или дисперсия ( (х), а также ковариация cov(x,y) или коэффициент корреляции г(х,у) параметров х, у. Обычно разброс параметров элементов ИМС представляется гистограммой, показывающей частоту появления значений случайной величины. К примеру, на рисунке 1.1 приведены плотность вероятности и частота появления (7V) отклонений порогового напряжения Л Vtho МОП транзистора. Рисунок 1.1 - Плотность вероятности и частота появления отклонений порогового напряжения МОП транзистора с длиной канала L=1,6 мкм и шириной W = 5,4 мкм [2]. C увеличением числа опытных данных гистограмма стремится к непрерывной функции плотности вероятности (дифференциальной функции распределения).
Для учета разброса параметров ИМС нужно обработать статистически значимое количество элементов субмикронной технологии и получить их параметры функции распределения Ми . Однако для современных задач проектирования такой подход слишком приблизителен или содержит много избыточной информации. В реальности величина разброса параметров зависит от площади элементов микросхемы и расстояния между ними. Кроме того, параметры элементов находятся в сильной корреляционной зависимости [1]. Это утверждение достаточно просто продемонстрировать на примере МОП транзисторов. На рисунке 1.2 приведены измеренные данные большого количества транзисторов по следующим параметрам: juon -подвижность электронов, juop -подвижность дырок, Vtho - пороговое напряжение. Между этими параметрами имеется следующая взаимосвязь: с увеличением подвижности электронов возрастает и подвижность дырок. Однако эта зависимость является статистической. Экспериментальные точки могут группироваться очень близко к прямой линии, которая аппроксимирует такую зависимость. В этом случае статистическая зависимость приближается к детерминированной. Степень отличия статистической зависимости характеризуется понятием ковариации cov(x, у) двух случайных величин и пред ставима в виде: где / - номер элемента, для которого измерены значения параметров х и у; , - математические ожидания этих параметров; М -математическое ожидание случайной величины, стоящей в квадратных скобках; п - количество измерений. Для получения «исправленной» оценки ковариации величина п в выражении (1.1) уменьшена на единицу [3].
Примеры сильной и слабой корреляции параметров с линией среднеквадратической регрессии: а) сильная корреляция r=0,954; б) слабая корреляция r =-0,045 [4]. Если отклонения случайных величин в (1.1) от математического ожидания нормировать на величину среднеквадратического отклонения о(х) и о(у), то получим коэффициент корреляции величин х и у:
Прямая линия, проведенная через экспериментальные точки таким образом, что сумма квадратов их отклонений от этой линии минимальна, называется линией среднеквадратической регрессии. Тангенс угла наклона этой линии называется коэффициентом регрессии. (1.4) Если статистические переменные центрировать относительно математического ожидания и нормировать на величину среднеквадратического отклонения, то среднеквадратические отклонения нормированных величин равны единице. Тогда коэффициент корреляции приобретает ясный физический смысл - он равен тангенсу наклона линии среднеквадратической регрессии.
Статистическая зависимость между параметрами в общем случае нелинейная, однако, поскольку отклонение параметров от среднего значения обычно невелико (5-15%), в этих пределах зависимость можно считать линейной.
Для отображения статистической зависимости между всеми параметрами ИМС введем понятие ковариационной матрицы. На пересечении /-й строки и у-го столбца ковариационной матрицы записывают ковариацию /-го и у-го параметров cov(xt, Xj). Если параметры микросхемых1,Х2, ...хр, каждый из которых в нашем случае является случайной величиной, записать в виде вектора = (x1, x2, ... хр), где « » - знак транспонирования вектора, то ковариационная матрица вектора х определяется как: = () = [( - ())( - ())], (1.5) где () - вектор математических ожиданий случайных величин х1,Х2, ... хр. Как следует из определения ковариации (1.1), такая матрица является симметричной. Поэтому ее часть, расположенную выше или ниже диагонали, обычно не заполняют. Диагональные элементы ковариационной матрицы равны СОУ(ХІ,ХІ), то есть дисперсии параметрам, а диагональные элементы матрицы коэффициентов корреляции равны единице.
Точность выходного напряжения «модифицированной» архитектуры ИОН
Несмотря на значительные усилия минимизации изменений параметров технологического процесса, вариации все равно присутствуют, в частности толщина оксида у элементов ИМС может отличаться на 5%, а концентрация легирующей примеси на 10%.
Для оценки степени влияния группового отклонения элементов техпроцесса при анализе и моделировании любой аналоговой схемы используются специальные модели элементов микросхемы, предоставляемые фабрикой-изготовителем. Каждая модель представляет собой различные комбинации вариаций параметров устройства, ожидаемые во время серийного производства ИМС.
Еще одним существенным источником отклонений в значениях параметров является величина температуры кристалла и ее градиент по пластине. Поэтому задачу оптимизации параметров интегральной микросхемы можно свести к обеспечению работоспособности микросхемы в заданном диапазоне температур, допустимых пределах напряжений питания с учетом вариаций характеристик техпроцесса.
На практике условия «наихудшего» случая (при котором, наблюдается максимальное отклонение параметров элементов от их номинальных величин при изготовлении, что наихудшим образом влияет на выходные характеристики схемы) встречаются крайне редко. Вероятность того, что все параметры одновременно будут соответствовать наихудшему случаю, очень мала и большинство спроектированных устройств обычно имеют характеристики, величины которых лежат вокруг центрального значения, соответствующего номинальным условиям. Искусство проектирования как раз и состоит в том, чтобы параметры элементов микросхемы были выбраны таким образом, чтобы подавляющее большинство (например 98%) изготовленных микросхем удовлетворяло требованиям специфики по быстродействию, точности, потребляемой мощности, площади и т.п. [1]. 1.1.3. Взаимное рассогласование
Рассогласование элементов вызвано особенностями топологии кристалла, например разбросом ширины металлических проводников или канала МОП транзисторов.
Локальный разброс присутствует постоянно, так как процесс изготовления БиКМОП устройств физически не может быть реализован в одних и тех же условиях (температура, уровни концентрации и т.д.)
Случайные вариации имеют статистический характер и присущи каждому отдельному элементу микросхемы. В частности, в процессе литографии различие в размерах фотошаблона могут привести к тому, что размеры двух одинаковых элементов ИМС будут отличаться друг от друга. Например, на рисунке 1.4 (а) показано, как из-за боковой диффузии реальная площадь элемента ИМС будет больше, чем размер его фотошаблона. Этот эффект происходит не только во время ионной имплантации, но и в течение последующего высокотемпературного отжига.
Другой эффект, известный как «боковое подтравливание», происходит во время травления слоев поликремния или металла. Этот эффект изображен на рисунке 1.4 (б), слой диэлектрика SiO2 является защитной маской, но после травления размер поликремния становится меньше размера соответствующей защитной маски.
На рисунке 1.4 (в) показан n-канальный транзистор вдоль канала от истока к стоку. Ширина канала транзистора определяется шириной его активной области. Плотность протекания тока может быть больше по бокам транзисторов. Это увеличивает пороговое напряжения транзистора около его края. В результате эффективная ширина транзистора уменьшается. Этот эффект также приводит к отличию характеристик двух идентичных элементов ИМС.
Различия в топологическом расположении компонента ИМС также приводят к изменениям в электрических характеристиках. В частности, между расположенными рядом проводниками возникают паразитные емкости. Но есть и другие эффекты взаимного влияния соседних элементов. Например, в процессе ионной имплантации, используемой для формирования n-кармана, присутствует эффект, при котором падающие атомы скатываются при попадании на край фоторезиста (рисунок 1.5).
Эффект, обусловленный рассеянием во время ионной имплантации [7]. В результате концентрация примеси вблизи края n-кармана повышена. Следовательно, транзисторы будут иметь различное пороговое напряжение, которое будет значительно изменяться в зависимости от месторасположения транзистора и его ориентации относительно края диффузии [8-11].
Технология изоляции областей кристалла «мелкими канавками» может также повлиять на электрические свойства компонента микросхемы. Поликремниевая перегородка создает механические напряжения, как показано на рисунке 1.6. Это приводит к снижению подвижности электронов и увеличению подвижности дырок. Механическое напряжение также может воздействовать на скорость примеси диффузии, влияя тем самым на пороговое напряжение элемента. Поскольку воздействию поликремниевой перегородки подвергаются только те компоненты, которые расположены близко к ней, это может привести к отличиям транзисторов, которые расположены топологически неодинаково. Таким образом, критичные компоненты должны быть расположены так, чтобы они были на равном расстояние от края «канавки» и одинаково ориентированы.
Рисунок 1.6 - Места механического напряжения при технологии изготовления «мелкими канавками» [7]. Эти примеры иллюстрируют типичные систематически повторяющиеся эффекты, но существуют и многие другие эффекты второго порядка, которые также влияют на характеристики элементов кристалла. По этим причинам, проектируемые размеры и электрические параметры компонентов интегральной схемы на практике очень редко воспроизводятся точно. Для увеличения точности изготовления, элементы собирают из нескольких объектов, соединенных друг с другом, а также согласовывают граничные условия вокруг всех элементов, даже если это означает добавления дополнительных неиспользуемых элементов.
Оценка точности выходного напряжения стабилизатора напряжения с низким проходным напряжением
Качественные показатели различных устройств измерения и преобразования сигналов прецизионных стабилизаторов напряжения во многом определяются характеристиками источника эталонного напряжения. Как правило, именно к этому источнику предъявляются наиболее жесткие требования по точности в общей структуре микросхемы или системы на кристалле. Следует отметить, что в значительной степени практическую реализацию прецизионного источника опорного напряжения (ИОН) осложняет постоянная тенденция снижения напряжения питания микросхем, изготовляемых по БиКМОП технологии.
Аналитический метод, рассмотренный в предыдущей главе, позволяет в общем виде провести анализ влияния отклонений элементов на выходные функции, определить их оптимальные значения и выявить рациональные требования к их точности.
Для того чтобы обеспечить улучшение качественных параметров стабилизаторов напряжения, исполненных в рамках БиКМОП технологии, используем аналитический метод расчета чувствительности схемы с целью сравнения различных структур ИОН на предмет величины разброса опорного напряжения, а также создания способов уменьшения этой погрешности.
Для контура, включающего входы операционного усилителя А1, резистор Ri и биполярные транзисторы Ql, Q2, справедливо равенство: 0м2 Ri + БЭ2) - (УБЭ! + Уем) = 0, (2.2) где 1М2 - ток стока МОП транзистора М2, УБЭ1, КБЭ2 — напряжения база-эмиттер биполярных транзисторов Ql, Q2 соответственно, VCM - напряжение смещения операционного усилителя.
Зависимость тока эмиттера биполярного транзистора Ізі от напряжения база-эмиттер имеет следующий вид [30]: температурный потенциал, h - ток насыщения обратно смещенного р-n перехода, ті - количество параллельно включенных биполярных транзисторов с заданной площадью эмиттера /-го биполярного транзистора.
Примем для биполярного транзистора Q1 значение коэффициента гщ = 1, а для транзистора Q2 Ш2 = т. Учитывая равенство тока стока МОП транзистора Імі и тока эмиттера биполярного транзистора 1э1 (исходя из схемы на рисунке 2.1) и используя выражение (2.3), получим:
Таким образом, его значение является одним из основных факторов, вносящих вклад в величину разброса опорного напряжения. Следовательно, при проектировании схемы ИОН целесообразно выбирать биполярный транзистор с наименьшим абсолютным значением температурного коэффициента.
Важно отметить то, что в знаменатель чувствительностей S,w, S ou\ Ml lM2 S ut, Sn ut, Sn ut вошел логарифм произведения m и отношения токов —, что позволяет сделать следующий вывод: для уменьшения влияния рассогласования токов МОП транзисторов (М1-М2) и напряжения смещения усилителя Vсм на выходное напряжение ИОН необходимо увеличить коэффициент т (отношение площадей эмиттеров биполярных транзисторов AQ2/AQI), либо отношение токов ІміІІм2- Для определения чувствительности выходного напряжения к сопротивлению резисторов при групповом отклонении нужно найти сумму чувствительностей выходного напряжения к сопротивлениям резисторов, входящих в схему. Аналогично вычисляется чувствительность при групповом отклонении к токам стока МОП транзисторов и напряжению база-эмиттер биполярных транзисторов.
В таблице 2 приведены суммы чувствительностей выходного напряжения ИОН к однотипным параметрам элементов схемы, необходимые для оценки его девиации при групповых отклонениях параметров. Согласно таблице сумма полуотносительных чувствительностей к токам равна нулю, следовательно, при групповом отклонении параметров характеристики МОП транзисторов не влияют на точность опорного напряжения ИОН, так как отношение токов в ветвях схемы при этом не изменяется. В то же время сумма полуотносительных чувствительностей к сопротивлениям резисторов R1, R2 равна отрицательному значению температурного потенциала Vt = k/q, а сумма абсолютных чувствительностей к напряжению база-эмиттер равна единице [31]. Следовательно, суммы чувствительностей выходного напряжения к резисторам и напряжению база-эмиттер биполярных транзисторов являются константами при заданной температуре [32-35].
Полученные аналитические выражения для чувствительностей выходного напряжения к вариациям параметров элементов дают возможность рассчитать среднеквадратические отклонения выходного напряжения, вносимые погрешностью элементов ИОН при глобальном и локальном разбросах. Для вычисления можно задать некие типичные для такого вида устройств величины, а именно - среднеквадратическое отклонение значения напряжения смещения усилителя при рассогласовании элементов схемы примем равным 1,64 мВ, коэффициент отношения площадей эмиттеров биполярных транзисторов m равным 8, отношение токов IM1/IM2 равным 1. Результаты расчетов сведены в таблицы 3, 4 вместе с данными моделирования методом Монте-Карло.
Усилитель С Vout аУсм 8,98 0 Токовые зеркала 3 \ SVout 4=1 Ml 0 0 Резисторы / SRUt 0,025 0,827 Биполярные транзисторы 3 sZout/4=1 v 1 2,152 Общее отклонение - - 2,305 2,228 Таким образом, совокупное среднеквадратическое отклонение выходного напряжения при групповом отклонении и рассогласовании элементов ИОН составляет 16,24 мВ, при этом наибольший вес в нем имеет напряжение смещения операционного усилителя. И если значение среднеквадратического отклонения при глобальном разбросе преимущественно определяют свойства технологического процесса, то погрешность, возникающую при рассогласовании, можно уменьшить посредством использования рациональной геометрии элементов и специальных схемотехнических решений.
Выше было отмечено, что для уменьшения влияния рассогласования токов МОП транзисторов (M1-M2) и напряжения смещения усилителя Vсм нужно увеличить отношение площадей эмиттеров биполярных транзисторов АQ2/АQ1, либо увеличивать отношение токов IM1/IM2. Зависимость абсолютной чувствительности выходного напряжения ИОН к напряжению смещения от отношения площадей эмиттеров биполярных транзисторов АQ2/АQ1, приведена на рисунке 2.2. Эту зависимость необходимо учитывать при создании прецизионного источника опорного напряжения, что позволит обеспечить нахождение оптимального значения между точностью опорного напряжения и площадью блока, занимаемой на кристалле.
Рисунок 2.2 - Абсолютная чувствительность выходного напряжения ИОН к напряжению смещения в зависимости от m.
Если увеличить значение коэффициента m c 8 до 24 и отношение токов IM1/IM2 с одного до двух, то среднеквадратические отклонения выходного напряжения, вносимые погрешностью элементов ИОН при рассогласовании элементов в рамках БиКМОП технологического процесса, примут значения, приведенные в таблице 5. Из данных таблицы видно, что увеличение значения коэффициента m и отношения токов IM1/IM2 привело к уменьшению среднеквадратического отклонения, вносимого усилителем, приблизительно в два раза, и при этом снизились погрешности вносимые источниками тока и биполярными транзисторами.
Схема температурной защиты
Аналитический расчёт чувствительности в общем виде позволяет провести анализ поведения выходной функции схемы для всех значений номиналов элементов, определить оптимальные (с позиции обеспечения минимальной чувствительности) значения номиналов элементов и требования к их точности. Но этот вид расчёта применим для схем с относительно простой зависимостью параметров от номиналов элементов. К ним нельзя отнести «реверсную» и «пропорциональную» архитектуру, для которых применение аналитического расчёта чувствительности в общем виде затруднительно.
Общее отклонение 0,633 0,657 Отметим, что при низком напряжении питания нельзя уменьшить влияние напряжения смещения усилителя на точность выходного напряжения «реверсной» и «пропорциональной» архитектур ИОН введением в схему дополнительных биполярных транзисторов. Как следует из данных, представленных в таблице 14, при рассогласовании элементов БиКМОП технологического процесса «реверсная» и «пропорциональные» архитектуры ИОН имеют близкие показатели.
Таким образом, как следует из анализа данных таблицы 15, «реверсная» и «пропорциональная» архитектуры ИОН имеют близкие характеристики по точности выходного напряжения при рассогласовании элементов и групповом отклонении. Существенным достоинством «пропорциональной» архитектуры является то, что уровень её выходного напряжения можно задать номиналом выходного резистора, в то время как в «реверсной» архитектуре уровень выходного напряжения имеет всегда одну и ту же величину. 2.6. Сопоставительный анализ субмикронных источников опорного напряжения
В результате оценки точности выходного напряжения наиболее распространенных архитектур ИОН, предназначенных для исполнения по БиКМОП технологии (разделы 2.1-2.6), были определены элементы ИОН, вносящие наибольший вклад в величину среднеквадратического отклонения выходного напряжения и предложены способы его уменьшения.
В таблице 16 приведены обобщенные данные, отражающие степень точности выходного напряжения архитектур ИОН при рассогласовании элементов технологического БиКМОП процесса (180 нм). При расчете среднеквадратическое значение напряжения смещения усилителя принято равным 0,5 мВ, коэффициент отношения площадей эмиттеров биполярных транзисторов m равным 24. отклонение выходного напряжения. В соответствии с разделами 2.1-2.6, можно сформулировать следующие рекомендации, которые необходимо учитывать при проектировании источников опорного напряжения в субмикронной БиКМОП технологии: - для наиболее распространённых архитектур ИОН наибольший вклад в разброс опорного напряжения вносит отклонение напряжения смещения усилителя, в случае рассогласования элементов схемы; - уменьшить влияние напряжения смещения усилителя на выходное напряжение ИОН можно посредством введения в схему двух дополнительных биполярных транзисторов, соединённых последовательно с исходными биполярными транзисторами, а также увеличением отношения площадей эмиттеров биполярных транзисторов ИОН, либо увеличением отношения токов IM1/IM2; - при рассогласовании элементов схемы вторым фактором по степени влияния на величину разброса опорного напряжения являются токовые зеркала, причем существенного снижения степени влияния их погрешности можно достичь увеличением длины каналов транзисторов, в то время как увеличение ширины дает незначительное улучшение.
Обобщив выводы разделов 2.1-2.6 получим, что при построении прецизионного источника опорного напряжения, предназначенного для исполнения по субмикронной или глубоко субмикронной БиКМОП технологии, важно учитывать следующее:
1. Минимальное значение среднеквадратического отклонения выходного напряжения при рассогласовании элементов БиКМОП техпроцесса имеет «модифицированная» архитектура ИОН.
2. По точности выходного напряжения ИОН «классическая» архитектура с токовыми зеркалами уступает только «модифицированной» архитектуре, но, что является весьма важным, занимает меньшую площадь на кристалле. 3. Для снижения влияния напряжения смещения усилителя на выходное напряжение ИОН следует увеличивать отношение площадей биполярных транзисторов и отношения токов источников тока IM1/IM2.
4. Существенного снижения влияния погрешностей отражателей тока на точность ИОН можно достичь увеличением длины каналов транзисторов.
5. Структуры ИОН, работоспособные при низком напряжении питания, имеют одинаковую точность выходного напряжения при рассогласовании элементов и групповом отклонении. Однако, «пропорциональная» архитектура обладает возможностью его регулирования, в то время как в «реверсной» архитектуре уровень выходного напряжения фиксирован. Классификация и основные свойства современных стабилизаторов напряжения Неотъемлемой частью многих радиоэлектронных и электронных устройств являются стабилизаторы постоянного напряжения. В одних они используются как высокостабильные источники питания, обеспечивающие необходимую надежность работы, в других - не только как источники питания, но и как источники эталонного (образцового) напряжения. Образцовое напряжение необходимо во многих системах авторегулирования и телеметрии, измерительных схемах, схемах преобразования непрерывных величин в дискретную форму, в схемах электрического моделирования [51 52].
В источниках питания обычно используют два основных типа стабилизаторов – импульсные и линейные, с непрерывным регулированием. Импульсные стабилизаторы могут быть как повышающими, так и понижающими. Они обеспечивают высокий коэффициент полезного действия (КПД), но создают на выходе помехи на частотах коммутации и их гармониках, и по этой причине малопригодны для питания чувствительных к пульсациям схем (кварцевых генераторов, малошумящих усилителей и т.п.). Для схем такого типа используются стабилизированные малошумящие линейные источники питания. Подобные линейные стабилизаторы значительно превосходят любые другие типы стабилизаторов по показателям внутренне генерируемых и излучаемых шумовых составляющих. Линейные стабилизаторы всегда работают с понижением напряжения и подразделяются на обычные стабилизаторы и стабилизаторы с малыми потерями. Обычные стабилизаторы обладают низким КПД, вследствие значительных потерь на проходном (регулирующем) элементе, и редко используются в аппаратуре с автономным питанием. ИМС линейных стабилизаторов напряжения в настоящее время стали стандартными составными блоками систем питания. Большинство, выпускаемых стабилизаторов напряжения, изготовлено по биполярной технологии. Однако, в современных ИМС стабилизоторов напряжения на передний план выходит БиКМОП технология, существенным преимуществом которой является очень низкий ток потребления (порядка 15-20 мкА), что в сотни раз меньше, чем для микросхем классических биполярных стабилизаторов напряжения.
Современные стабилизаторы напряжения могут быть разделены на несколько классов в соответствии с их параметрами и областью применения: - типовые, с положительным и отрицательным фиксированным и регулируемым напряжением; - экономичные, с малым статическим током; - с низким падением напряжения на регулирующем элементе; - прецизионные; - быстродействующие, с быстрым откликом; - многоканальные (сдвоенные и т.д.); - специализированные, с дополнительными сервисными устройствами.
